那潮河特大桥自锚式悬索桥方案计算报告(128m自锚式悬索桥)

1、.目 录4.2.4.1.结构总体静力计算分析1（1）主要构件材料及性能1混凝土1结构钢材1主缆用钢材1吊索用钢材1（2）全桥成桥状态计算2计算方法及模型2计算荷载及组合3刚度计算结果3强度计算结果44.2.4.2.结构稳定计算分析6（1）计算模型及方法6（2）荷载及组合6（3）计算结果64.2.4.3.结构动力特性计算分析7（1）计算模型及方法7（2）计算结果74.2.4.4.结构抗震计算分析8（1）结构抗震设防标准8（2）计算参数选取8下水平向地震动参数8竖向地震动参数8结构阻尼比的取值9（3）地震组合9（4）计算模型9（5）计算结果94.2.4.5.结构抗风计算分析9（1）设计风速确定9（

2、2）颤振稳定性计算分析10颤振临界风速确定10颤振稳定性分析11（3）静风稳定性计算分析11二维静风扭转发散分析11二维横向屈曲发散分析12（4）静风荷载计算分析1313-4.2.4 自锚式悬索桥结构计算分析4.2.4.1.结构总体静力计算分析（1）主要构件材料及性能混凝土索塔采用C50混凝土，边墩采用C40混凝土，承台及桩基采用C30混凝土，各种标号混凝土主要力学性能见下表。表4.2.4.1 -1 混凝土材料性能表混凝土标号C50C40C30应用结构索塔及塔上横梁过渡墩承台力学性能弹性模量E(MPa)345003250030000剪切模量G(MPa)138001300012000泊松比0.2

3、0.20.2轴心抗压设计强度(MPa)22.418.413.8抗拉设计强度(MPa)1.831.651.39热膨胀系数()0.0000100.0000100.000010结构钢材主梁及桥塔横梁采用Q345qD 钢材。其主要力学性能见下表。表4.2.4.1-2 结构钢材性能表钢种Q345qD应用结构加劲梁力学性能弹性模量E(MPa)210000剪切模量G(MPa)81000泊松比0.3轴向容许应力 (MPa)200弯曲容许应力w (MPa)210容许剪应力 (MPa)120屈服应力s (MPa)345热膨胀系数()0.000012主缆用钢材主缆材料采用5.2mm 高强平行钢丝，其主要力学性能见下

4、表。表4.2.4.1-3 主缆材料性能表材料高强钢丝应用结构主缆力学性能弹性模量E(MPa)200000标准强度y(MPa)1670热膨胀系数0.000012吊索用钢材吊索材料采用7.0mm 高强平行钢丝，其主要力学性能见下表。表4.2.4.1-4 吊索材料性能表材料高强钢丝应用结构吊索力学性能弹性模量E(MPa)200000标准强度y(MPa)1670热膨胀系数0.000012（2）全桥成桥状态计算计算方法及模型自锚式悬索桥为多次超静定柔性结构体系，施工方法为先梁后缆，因此吊索的成桥索力有多组选择方案，而在不同的吊索成桥索力下将有不同主缆成桥线形。本方案的成桥状态计算内容包括：吊索成桥索力优

5、化、主缆成桥线形计算和全桥结构成桥状态计算三部分内容。吊索索力优化采取刚性支撑连续梁方法；成桥线形采用悬链线悬索单元的有限元迭代法进行计算；成桥状态计算采用等效线性化方法（线形有限位移理论）。计算采用大型有限元分析软件Midas，全桥结构的几何模型及有限元分析模型分别见下图。为了与后续的动力分析共用计算模型，计算中模拟了桥墩和桩基。桥面系采用空间梁格结构模拟。主缆和吊杆采用弹性悬索单元模拟，加劲梁、横梁、刚臂、索塔、桥墩和桩基采用梁单元模拟。主缆与索塔顶端、主缆锚固点与主梁末端、索塔及边墩与加劲梁之间均采用主从约束，桩基底部采用固结约束。图4.2.4.1-1 全桥结构几何模型透视图图4.2.4

6、.1-2全桥结构有限元模型透视图计算荷载及组合计算荷载包括自重恒载、不均匀沉降、活载、汽车冲击力及制动力、温度荷载、风荷载和地震荷载。活载、温度荷载及风荷载的计算方法说明如下，地震荷载选用详见“结构抗震计算分析”，其余内容不再赘述。活载包括非机动车荷载和汽车活载；汽车活载为城A级车道荷载，横向按六车道进行计算；考虑非机动车及汽车活载横向位置，采用空间结构进行加载计算。温度荷载包括三部分，整体升降温：钢结构±35，混凝土结构±25；吊索与主梁、主缆温差±10，吊杆与索塔温差±15；主梁的日照及骤然降温温差取自公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）

7、的4.3.10条，桥塔左右侧线形温差±5。风荷载考虑桥面高度处为25m/s的运营风和百年一遇的设计基本风速两种情况，按照风的方向与桥梁轴线的相对关系，又分为顺桥向风荷载和横桥向风荷载。风荷载的参数取值详见“结构抗风计算分析”。荷载组合如下：组合一：自重恒载+沉降+汽车活载+汽车冲击力；组合二：自重恒载+沉降+汽车活载+汽车冲击力+温度荷载；组合三：自重恒载+汽车活载+汽车冲击力+汽车制动力+温度荷载+桥面风速25m/s的运营风；组合四：自重恒载+百年一遇的静阵风荷载；组合五：自重恒载+地震荷载； 其中组合五的计算结果详见“结构抗震计算分析”章节。刚度计算结果活载、风荷载、温度荷载作用

8、下的位移值计算结果见下表。表4.2.4.1-1 分项荷载作用下结构变形表项目部位分项荷载位移值（m）竖向主跨跨中汽车活载0.231/-0.635边跨跨中汽车活载0.296/-0.363纵向边跨侧梁端汽车制动力0.073/-0.073整体升降温0.123/-0.123整体升降温+体系温差+日照温差0.147/-0.157顺桥向风荷载（25m/s）0.021/-0.021顺桥向风荷载（百年一遇）0.079/-0.079塔顶汽车制动力0.072/-0.072整体升降温0.004/-0.004整体升降温+体系温差+日照温差0.034/-0.038顺桥向风荷载（25m/s）0.023/-0.023顺桥向

9、风荷载（百年一遇）0.084/-0.084横向主跨跨中横桥向风荷载（25m/s）0.010/-0.010横桥向风荷载（百年一遇）0.042/-0.042边跨跨中横桥向风荷载（25m/s）0.009/-0.009横桥向风荷载（百年一遇）0.038/-0.038塔顶横桥向风荷载（25m/s）0.102/-0.102横桥向风荷载（百年一遇）0.043/-0.043根据公路悬索桥设计规范（报批稿），悬索桥加劲梁由汽车荷载（不计冲击力）引起的最大竖向挠度值不宜大于跨径的1/2501/300，在强风（桥面无车）作用下，最大横向位移不宜大于跨径的1/150。由上表可以看出，本桥刚度较好，能满足设计规范要求。

10、强度计算结果（a）主梁计算结果半边扁平钢箱梁第一体系纵向正应力最大点计算结果如下图。图4.2.4.1-3扁平钢箱梁组合一下纵向正应力（MPa）图4.2.4.1-4扁平钢箱梁组合三纵向正应力（MPa）从上图可以看出，扁平钢箱梁纵向第一体系正应力在主要组合下最大应力小于115MPa，在附加组合下最大应力小于150Mpa。根据以往工程经验，主梁的第二体系和第三体系的正应力约为2030MPa，故主梁正应力可满足规范要求。（b）索塔计算结果索塔在组合一、组合三、组合四下的最大压应力和拉应力，见下图。图4.2.4.1-5 索塔组合一下应力包络（MPa） 图4.2.4.1-6 索塔组合三下应力包络（MPa）

11、从上图可以看出，在主要组合下，索塔最大压应力小于16.1Mpa，在附加组合下，索塔最大压应力小于18.20Mpa，在所有组合下均不出现拉应力。另索塔在恒载和百年风作用下的最大压力力小于8MPa，且不出现拉应力。索塔应力满足规范要求。 （c）主缆吊索计算结果图4.2.4.1-7 主缆组合一下应力包络（MPa）图4.2.4.1-8 主缆组合三下应力包络（MPa）由上图可以看出，主缆在组合一下最大应力小于600MPaKN，在组合三下小于635MPa，主缆的安全系数大于2.5，满足规范要求。本方案吊索的最大应力及活载应力幅也满足规范要求，限于篇幅不再赘述。4.2.4.2.结构稳定计算分析（1）计算模型

12、及方法采用MIDAS软件，计算模型与静力计算模型相同。 本方案采用第一类线弹性稳定计算方法，计算方程为：稳定问题转化为求方程的最小特征值问题。（2）计算荷载及组合表4.2.4.1-1 荷载组合工况工况号荷载组合情况1×（成桥恒载）2成桥恒载×（汽车（对应塔底轴力最大）3成桥恒载×（汽车（对应塔处加劲梁轴力最大）4成桥恒载×（汽车（活载偏载）5成桥恒载×（汽车（对应塔底轴力最大）与活载组合顺桥向风）6成桥恒载×（汽车（对应塔底轴力最大）与活载组合横桥向风）7×（成桥恒载汽车（对应塔底轴力最大）与活载组合顺桥向风）8×

13、（成桥恒载汽车（对应塔底轴力最大）与活载组合横桥向风）（3）计算结果在工程中只有第一阶失稳模态有意义，因此仅给出第一阶失稳模态结果。计算结果表明，最小稳定安全系数为6.067，大于34，满足规范要求，对应失稳模态见下图。表4.2.4.1-2成桥状态稳定计算结果表工况阶数稳定安全系数失稳模态特征116.7桥塔面内失稳 2159.7桥塔面内失稳 3159.8桥塔面内失稳 41122.1桥塔面内失稳 5159.5桥塔面内失稳 6159.7桥塔面内失稳 716.064桥塔面内失稳 816.067桥塔面内失稳 图4.2.2.1-1 最不利工况一阶失稳模态图（桥塔面内失稳）4.2.4.3.结构动力特性计算

14、分析（1）计算模型及方法采用MIDAS软件，计算模型与静力计算模型相同，采用子空间迭代法求解特征值。为了模拟桩土之间的相互作用，索塔及边墩桩基均在冲刷线以下3倍桩径处固结。（2）计算结果表4.2.3-1 结构动力特性计算结果汇总表阶次频率（Hz）周期（s）振型描述10.1311 7.6272 主梁纵飘20.2614 3.8262 主梁一阶对称竖弯30.4124 2.4250 主梁反对称竖弯40.6457 1.5487 主梁竖弯50.6667 1.4999 60.7907 1.2648 主梁横向振动70.9359 1.0685 主梁一阶扭转80.9792 1.0213 主梁竖弯91.3323 0

15、.7506 主梁二阶扭转101.5270 0.6549 图4.2.4.1-1 结构纵飘（第一阶）（0.1311Hz）图4.2.4.1-2 主梁一阶竖弯（第二阶）（0.2614Hz）图4.2.4.1-2 主梁一阶扭转（第七阶）（0.9359Hz）4.2.4.4.结构抗震计算分析（1）结构抗震设防标准本方案采用公路工程抗震设计规范进行抗震验算。由于唐山市的历史地震活动连延成带现象比较明显，在进行抗震计算时重要性系数取1.7，对应罕遇地震设防标准（容许主体结构局部发生轻微损伤；桥墩不倒塌，可供紧急救援车辆通过，震后可以修复）。（2）计算参数选取下水平向地震动参数根据中国地震动参数区划图（GB1830

16、62001），本区地震动峰值加速度0.15g（度）。采用公路工程抗震设计规范（JTJ 004-89）反应谱III类场地进行计算，场地卓越周期为0.3秒。竖向地震动参数对跨度较大的桥梁结构，竖向地震的作用不可忽略。鉴于此，拟定在进行反应谱分析时，采用水平向地震输入与竖向地震输入组合的方式，其中，竖向地震输入取水平向地震输入的2/3。结构阻尼比的取值对斜拉桥、自锚式悬索桥和钢箱梁提篮拱桥，由于结构由不同材料组成，各部分的能量耗散机理不同，因而阻尼比的确定比较困难。参照城市桥梁抗震设计规范（征求意见稿）中“钢拱桥和斜拉桥的结构阻尼比不宜大于3%；悬索桥的结构阻尼比不宜大于2%”的建议，拟定在计算结构

17、的地震反应时，结构阻尼比近似取为3。（3）地震组合包括以下两种组合：组合一：成桥恒载+顺桥向地震力+竖向地震力组合二：成桥恒载+横桥向地震力+竖向地震力（4）计算模型计算模型与动力特性的计算模型相同。为了使两个索塔共同承担地震活载，同时又减索塔内的温度力，主梁在两个索塔处顺桥向均不约束，并在索塔与主梁之间增加弹性连接约束。（5）计算结果控制断面的内力计算结果见下表。表4.2.4.4-1地震作用下塔墩控制断面内力表塔墩位置组合一组合二轴力（KN）顺桥向弯矩（KN*m）顺桥向剪力（KN）轴力（KN）横桥向弯矩（KN*m）横桥向剪力（KN）索塔变化处-248943.6 133516.6 5749.5

18、 -248959.6 293708.5 3330.3 梁处-266205.3 195720.4 9859.2 -266218.8 302171.9 6211.4 塔底-344529.1 952612.1 16281.5 -344547.8 1313689.2 27370.4 边墩墩墩底-31112.3 278275.3 7157.1 -21295.7 217510.2 5587.7 选用合理的配筋，采用考虑弹塑性的强度验算方法，索塔及桥墩均可验算通过。采用能力保护方法，根据桥墩及索塔底部的配筋，计算桩基的地震荷载，桩基的承载力及强度也能满足规范要求，限于篇幅此处不再赘述。4.2.4.5.结构抗

19、风计算分析（1）设计风速确定（1） 设计基本风速依照公路桥梁抗风设计规范（JTG/T D60-01-2004）可知，唐山市标准高度10m、平均时距10分钟、重现期100年的基本风速为Vd27.1m/s，对应的场地类别近期为A类，远期为C类。（2）设计基准风速根据抗风规范3.2.1条，风速沿铅直高度方向的分布应按下述公式计算： 式 中:Vh2 地面以上高度 h2 处的风速，m/s ； Vh1 地面以上高度 h1 处的风速，m/s ； 地表粗糙程度系数。参照抗风规范表3.2.2，跨纳潮河大桥地形地貌类别近期为A 类，远期为C类，偏于安全计算中以A类计，平均风剖面幂函数指数为0.12，粗糙高度为0.

20、01m。自锚悬索桥主梁跨中处桥面设计高程为16m。安全计，桥面离水平面高度取为20.5m，则该桥桥面高度处成桥状态的设计基准风速为：（3）颤振检验风速主跨长为258m，按地形地貌类别，风速脉动修正系数f取为1.258；考虑风洞实验误差及设计、施工中不确定因素的综合安全系数K =1.2，则100 年重现期成桥状态颤振检验风速为：（2）颤振稳定性计算分析颤振临界风速确定就颤振问题而言，本桥属于跨度较小、宽跨比较大的悬索桥，问题并不严重。抗风规范6.3.5条规定，主跨跨径小于300m的桥梁，当主梁断面宽高比时，可按下述公式计算颤振临界风速：其中 为扭转基频（Hz）； B为桥面全宽（m）。本桥的主跨为

21、258米，小于300米，由于主梁为中央开槽，B取单幅桥宽18.25m，介于48。本桥采用上式估算本桥的颤振临界风速为：结果表明，本桥的颤振临界风速远大于颤振检验风速。因此，就工程角度而言，无需再进一步精确确定本桥颤振临界风速。颤振稳定性分析公路桥梁抗风设计规范中规定，利用下式计算桥梁的颤振稳定性指数。式中，为扭转基频，B为桥梁全宽。则成桥状态的值如下（成桥状态）公路桥梁抗风设计规范6.3条中规定，对于成桥状态，当<2.5时，可按下式）计算桥梁的颤振临界风速，当4>>2.5时，宜通过节段模型风洞试验加以检验。计算可得，颤振临界风速为179.5m/s，远大于检验风速。因此，桥梁颤振稳定性满足规范要求。（3）静风稳定性计算分析二维静风扭转发散分析（1）检验风速的确定抗风规范6.1.5条规定，悬索桥横向屈曲发散的